【正文】 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真畢業(yè)論文 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 1 1 3 5 MATLAB仿真系統(tǒng) 6 MATLAB簡(jiǎn)介 6 MATLAB發(fā)展?fàn)顩r 10 12第2章 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理 13 13（SVPWM） 15 16 SVPWM的原理 17 SVPWM的合成 20 SVPWM的扇區(qū)判斷 22 七段式SVPWM的實(shí)現(xiàn) 22 23第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 24 的SVPWM 仿真 25 扇區(qū)判斷部分的Simulink框圖 25 參數(shù)X ,Y ,Z 形成的Simulink框圖 26 矢量作用時(shí)間的Simulink框圖 26 扇區(qū)比較值Simulink框圖 27 28第4章參數(shù)計(jì)算 29 29 常規(guī)PI控制器的設(shè)計(jì) 30 PI控制器的參數(shù)設(shè)定 31 34第5章 仿真結(jié)果與分析 35 35 39結(jié)論 40參考文獻(xiàn) 41致謝 44附錄1 開題報(bào)告 45附錄2 文獻(xiàn)綜述 50附錄3 中期報(bào)告 54附錄3 中文譯文 59附錄5 外文原文 68 I第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的跨進(jìn)。以DSP為核心的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，由于其控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改，便于分布式控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)。由于調(diào)速控制技術(shù)是決定交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以這也是國外交流調(diào)速技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國內(nèi)交流調(diào)速使用的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的調(diào)速控制技術(shù)已成為制約我國高性能交流調(diào)速技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。所以，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面仍然不是很理想，市場(chǎng)的大部分還是被國外公司所占據(jù)，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)全面的了解和學(xué)習(xí)，并且有所創(chuàng)新。因此研究高性能交流調(diào)速控制技術(shù)，特別是最具應(yīng)用前景的永磁同步電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。永磁（PM）電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比、功率密度高、效率和功率因數(shù)高的特點(diǎn),因此在工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。永磁電機(jī)分為無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）[1]。其中BLDC通常具有方波反電動(dòng)勢(shì)波形。方波反電動(dòng)勢(shì)由定子集中繞組和方波充磁的表面磁鐵產(chǎn)生。因?yàn)槠浞讲ㄐ螤畹姆措妱?dòng)勢(shì)，所以轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量可以非常方便地利用反電動(dòng)勢(shì)得到，并且其控制方式也非常的簡(jiǎn)單。但是簡(jiǎn)單的逆變器控制導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。BLDC通常用于小型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)硬盤，壓縮機(jī)和風(fēng)扇中。因?yàn)槊}動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，BLDC一般不太適合于高性能要求的驅(qū)動(dòng)。PMSM與BLDC的不同僅在于控制策略和激勵(lì)電壓的方式。在PMSM中，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的形狀基本是正弦的，其正弦的純度取決于永磁材料充磁的質(zhì)量。如果永磁鐵在轉(zhuǎn)子中的放置正確，理想正弦的氣隙密度是可以得到的。因?yàn)閷?shí)際上定子繞組不會(huì)精確正弦分布，因此其氣隙密度也只能是近似正弦。 PMSM 的不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（a）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式 （a）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和永磁體的安裝方法對(duì)電機(jī)的性能影響很大。面貼式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。此外，這種類型的電機(jī)易于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)成近似正弦分布，從而減小磁場(chǎng)諧波及其負(fù)面效應(yīng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式永磁同步電機(jī)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度，使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，所以常被傳動(dòng)系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)采用，但是漏磁系數(shù)和制造成本較面貼式都大。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，能有效地避免永磁失磁，采用內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用在動(dòng)態(tài)性能要求高的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)較大。對(duì)于采用稀土永磁材料的電機(jī)來說，由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近，所以,面貼式永磁同步電機(jī)在電磁性能上屬于隱極永磁同步電機(jī)而插入式永磁同步電機(jī)相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極永磁同步電機(jī)，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)在電磁性能上也屬于凸極永磁同步電機(jī)，且凸極率更高。永磁同步電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)。新型永磁材料的出現(xiàn)極大促進(jìn)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八十年代釹鐵硼稀土永磁材料問世,由于釹資源豐富,以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷,價(jià)格較為低廉。釹鐵硼稀土永磁材料磁性能好,大大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開發(fā)[2]。我國十分重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研究開發(fā),并列入了國家“863”攻關(guān)計(jì)劃。經(jīng)過多年的研究開發(fā),取得了豐碩成果,開發(fā)了5種類型22個(gè)典型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī)。1)3種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)樣機(jī),成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4項(xiàng)互相制約的巨大矛盾。2)化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電機(jī)(6個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比,所開發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高,失步轉(zhuǎn)矩是原有的3159倍,牽入轉(zhuǎn)矩提高了3倍。3)機(jī)床主軸用715kW高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?！?000r/min(國內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為8r/min～8000r/min),恒功率調(diào)速比達(dá)到1:6。4)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用釹鐵硼永磁材料開發(fā)的715kW輕微型電動(dòng)客車用永磁同步電機(jī)系統(tǒng),電機(jī)重量為45kg,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5500r/min。%,m/kg(風(fēng)冷),m/kg(m/kg)(油冷),m/kg。5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4個(gè)規(guī)格樣機(jī))。以此所開發(fā)的電機(jī)把原來永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極,節(jié)省釹鐵硼永磁材料約30%。自從20世紀(jì)80年代后期以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作為工業(yè)設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)源之一的調(diào)速系統(tǒng)提出了越來越高的要求，研究和發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)已成為國內(nèi)外廣大學(xué)者的共識(shí)。近年國內(nèi)外廣大學(xué)者從提高系統(tǒng)以“硬形式”存在的包含PMSM、逆變器、檢測(cè)元件等在內(nèi)的性能和以“軟形式”存在的控制策略的角度著手以提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)性能作了大量的研究和探索，并取得相應(yīng)的成果：(1)采用了卡爾曼濾波法估計(jì)PMSM的轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的“無傳感器化”。(2)采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進(jìn)PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以便通過消除削弱因齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。(3)采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有較強(qiáng)魯棒性能的滑?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的自適應(yīng)能力。(4)在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上引入非線性和自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法以提高調(diào)速系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力。對(duì)于發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的PMSM、逆變器及相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因素的制約。然而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其是智能控制的興起和不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)所需要用的微處理器的性能不斷提高，特別是DSP的出現(xiàn)，為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制理論以及復(fù)雜的控制算法提供了有力的支持，同時(shí)也使得模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中在線實(shí)時(shí)的應(yīng)用成為可能，使得基于智能控制理論為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論(含現(xiàn)代控制理論)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn)，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了相應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，結(jié)合控制理論新的發(fā)展，以通過改進(jìn)控制策略的角度著手以提高控制器性能進(jìn)而提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)性能已日漸成為國內(nèi)外廣大同仁熱衷采用的手段和研究的焦點(diǎn)之一?？v觀永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)主要采用的基本控制策略主要為恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩(DTC)控制[3]。矢量控制的思想源自于交流電機(jī)對(duì)直流電機(jī)控制的嚴(yán)格模擬。由于永磁同步電機(jī)自身具有比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更為優(yōu)越的性能，而且其坐標(biāo)變換算法相對(duì)簡(jiǎn)單、電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測(cè)，因此交流調(diào)速的矢量控制理論在永磁同步電機(jī)的控制領(lǐng)域也得到了同樣的重視。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，其基本思想是在準(zhǔn)確觀測(cè)定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過控制電機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓來控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來改變它對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，達(dá)到直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的[3]。兩種方案各有自己的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如何確定它們各自最佳的應(yīng)用場(chǎng)合，最大限度地發(fā)掘交流變頻調(diào)速技術(shù)在不同領(lǐng)域應(yīng)用中的潛力有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。在基本控制策略的基礎(chǔ)上國內(nèi)外學(xué)者從不同角度著手進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，尤其是在近幾年圍繞提高PMSM控制性能、降低成本在調(diào)速系統(tǒng)控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進(jìn)控制策略并取得了一些具有實(shí)用性意義的成果。但是永磁同步電機(jī)自身就是具有一定非線性、強(qiáng)耦合及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)其調(diào)速對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略是很難滿足高性能永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制要求[4]。因此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的“復(fù)合型控制策略”以改進(jìn)作為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)核心組成部件的“控制器”性能，來彌補(bǔ)系統(tǒng)中以“硬形式”存在的“硬約束”，理應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)主要“突破口”[5]。在七十年代提出的矢量控制理論其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。矢量控制的最終目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施依然是落實(shí)到對(duì)定子電流（交流量）的控制上[7]。由于在定子側(cè)的各個(gè)物理量，例如電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不是很方便。所以就需要借助于坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，電動(dòng)機(jī)的各個(gè)空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個(gè)空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控量的各個(gè)分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值，即直流給定量[8]。按照這些計(jì)算量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，就可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，所以還必須再經(jīng)過坐標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變化成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值[9]。永磁同步電機(jī)矢量控制的實(shí)質(zhì)是通過對(duì)定子電流的控制來實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí)，在定子電流給定的情況下，控制，可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩就隨著的變化而變化。所以控制系統(tǒng)只要控制大小就能控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)矢量控制。但是轉(zhuǎn)速在基速以上時(shí)，因?yàn)橛谰么盆F的勵(lì)磁磁鏈為常數(shù)，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例增加。電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓也跟著提高，然而又要受到與電機(jī)端相連的逆變器的電壓上限的限制，所以必須進(jìn)行弱磁升速。通過控制來控制磁鏈，通過控制來控制轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)矢量控制。永磁同步電機(jī)矢量控制是很容易實(shí)現(xiàn)的，只要使實(shí)際的與給定的相等，也就滿足了實(shí)際控制的需要。因?yàn)樵趯?shí)際控制中，向電機(jī)定子注入的和從定子檢測(cè)的電流都不是而是三相電流，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)變化[10]。又因?yàn)樽鴺?biāo)系是定義在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，所以要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變化必須在控制中實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 MATLAB仿真系統(tǒng) MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。MATLAB主要具有以下一些特點(diǎn)1) 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來；2) 具有完備的圖